柳鋼焦化廠磷酸法氨回收工藝控制及故障分析

李磊(廣西柳州鋼鐵集團公司焦化廠 廣西 柳州545002)

引言

柳鋼焦化廠焦爐煤氣脫氨目前有兩種工藝，一種是飽和器法硫酸洗氨生產硫酸銨工藝，另一種則是弗薩姆(PHOSAM)法磷酸脫氨工藝，用磷酸脫除焦爐煤氣中的氨，回收生成8%～18%的濃氨水作為燒結尾氣脫硫的氨源。磷酸脫氨工藝自2010年投用以來取得了顯著的效果，檢修維護成本大大降低，生產環境得到改善，對節能減排更是具有重要意義。

一、工藝原理及工藝控制

目前柳鋼焦化廠采用冷態法磷酸洗氨，工藝的原料為35～55℃的煤氣。其中含氨量為6～10g/m3，產品中煤氣含氨為0.08～0.1g/m3，生產的氨水濃度可在8～18%范圍內調節。

1.系統工藝原理

該系統工藝原理主要利用磷酸銨鹽的化學性質即磷酸二氫銨(NH4H2PO4)、磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、磷酸銨((NH4)3PO4)均為白色晶體，可溶于水。磷酸二氫銨十分穩定，在130℃以上分解。磷酸氫二銨不很穩定，在70℃時即可分解，磷酸銨在常溫下即可分解。因此系統溶液中主要含有磷酸二氫銨和磷酸氫二銨?？衫靡韵率礁爬?，即：

2.系統的工藝控制

(1)氨的吸收

氨吸收主要是由化學平衡控制，即壓力、溫度和摩爾比。相對而言溫度、壓力影響較小，因此在一定溫度下，氨的吸收主要取決于(NH4)2HPO4的含量，即磷銨溶液液面的氨分壓。所以控制銨鹽的總量，一銨和二銨的質量比十分重要。一般噴灑液中含磷銨量約為41%，NH3/H3PO4(摩爾比)為1.1～1.3。[1]因此，吸收工序主要控制入塔貧液量以及貧液的摩爾比。如果溶液量減少，裝置運行成本降低，經濟性好。但富液摩爾比升高，當超過1.8時，吸收過程中酸分將增加，對系統設備的腐蝕性加劇。

(2)系統水平衡

控制系統水平衡的目的是控制H3PO4濃度，磷酸酸度對溶液結晶點和密度有較大影響，密度減小，影響除油器的操作，密度升高，溶液結晶點升高，引起結晶堵塞。磷酸酸度為35%時，溶液結晶點升高到40℃。酸度為30%時，溶液相對密度為1.2～1.3，結晶點小于25℃。水平衡的控制主要是調節進入吸收塔中的貧液溫度，間接控制煤氣出口溫度。通過不同溫度下出口的煤氣帶出的水量來控制系統的水平衡。但是隨著煤氣溫度的升高，出口煤氣中氨的含量會略有上升。另一調控手段是控制進解吸塔的富液溫度，主要是貧富液換熱器后出冷凝冷卻器的富液溫度。在冷凝冷卻器中，第一次換熱后的富液會和解吸塔出塔氨氣進行換熱，從而可以控制更多的水分隨氨氣離開系統。但是此方法會影響氨產品的濃度。同時此法也會受到冷凝冷卻器以及解吸塔給料泵的能力的限制。因此，在工藝控制中較少采用此法。

(3)富液解吸

解吸效率對出塔貧液有重大影響。解吸的控制最主要調節的是進入解吸塔的蒸汽量。進塔蒸汽量隨著富液流量的變化而變化。進塔富液流量增加，進入解吸塔的中壓蒸汽量也隨之增加。壓力降低，解吸效率也會降低。蒸汽用量增加，解吸塔壓力會升高，會造成設備腐蝕程度加劇。解吸塔壓力的穩定需要有穩定的進塔富液流量、蒸汽量。在蒸汽量波動較小時，解吸塔壓力的波動可以通過氨水流量調節閥來控制。即閥門關小時，提高冷凝冷卻器底部氨水液位，從而減小冷卻水與上部氨氣的接觸面積，從而減小氨氣的冷凝量，進而控制解吸塔的壓力。但是此方法只是對解吸塔壓力的微調，塔壓的穩定主要還是靠蒸汽量。

(4)氨水濃度調節

氨水濃度與系統中貧富液摩爾比、含氨量以及解吸塔頂部溫度等參數相關。本系統溶液參考值在富液摩爾比1.5～1.6，貧液摩爾比1.32±0.05，貧液含氨量小于6.3，塔頂溫度為185±5℃時，各參數對氨水濃度的調節主要參考表1。

其中對氨水流量調節閥的調節是在貧富液摩爾比需要調節的情況下濃度發生變化后進行的，不宜頻繁調節。

表1:各參數對氨水濃度的調節

二、系統故障及原因分析

1.系統結晶堵塞導致系統停產

系統結晶部位主要是在給料槽出口即氨水管路。造成結晶的原因主要是系統發生液泛帶出大量的磷銨富液與氨水混合經過氨水冷卻器后溫度太低所致。通過前述水平衡的控制調節中講述，酸度對溶液結晶有重大影響。磷銨溶液進入到氨水，提高了酸度，當換熱后溫度降到40℃以下，發生結晶，堵塞管道，導致系統被動停產。因此防止系統發生液泛是控制氨水溶液結晶的最主要手段。

系統液泛主要表現形式為解吸塔壓差增大即阻力升高，進入給料槽的氨水量明顯增加。因為液泛發生后，汽泡阻滯了溶液自上而下的流動，相當于是在塔內形成了斷塔盤，從而使富液不能流暢的向下流動而是轉向氨氣出口管出去，造成給料槽氨水量增加的假象。引起液泛發生的主要原因有以下3個方面：(1)系統前端除油不好，導致有較多的焦油進入塔內，在塔盤上附著，使解吸塔阻力增加；(2)系統中的酸性氣體過多。當富液摩爾比過高，溶液的PH大于7時，煤氣中的酸性氣體被吸收成揮發銨鹽。當溶液進入解吸塔被加熱后，由于酸性氣體的逸出而產生發泡液泛；(3)蒸汽。一般來說，蒸汽量過大會產生液泛。如果蒸汽量過小，富液因從冷凝冷卻器器中得到的熱量太少而使進料溫度太低，溶液在塔中得不到蒸發所需的熱量而積聚在塔板上，致使塔壓差升高，也會產生類似液泛現象。蒸汽壓力的不穩定 ，也會造成解吸塔的液泛。

針對以上原因我們采取了以下措施：(1)嚴格控制富液的摩爾比小于1.75、磷酸酸度大于25，保持富液較高比重，以保證焦油和溶液的良好分離，并保證溶液呈酸性，以盡量減少吸收酸性氣體。(2)加強除焦油器的操作。當溶液中焦油量大時，可提高除焦油器液位并及時從焦油槽中撇出焦油。定期對除焦油器和焦油槽進行清掃，以減少進入解吸塔富液中的焦油量。(3)提高分離器的酸性氣體排出量，即提高進分離器的富液溫度，以減少富液中酸性氣體量。(4)穩定解吸塔加熱蒸汽壓力和保證適當的蒸汽流量。(5)在溶液槽中連續加入適量消泡劑，減少溶液的發泡。

2.系統換熱器堵塞

圖2:換熱器結構對比圖

換熱器的堵塞是本系統遇到的最多的故障，最多時平均每周1次，頻率較高。換熱器堵塞的主要原因是前端除油沒有做好，導致系統含油量高。當焦油進入到解吸塔內后經過195℃的高溫分解后剩下的重油會形成瀝青狀的粘結物質，加之系統內含有的煤粉、焦粉等物質，經過換熱器溫度降低后形成較硬的渣，堵塞換熱器管道，造成系統被動停產。另外，由于貧富液換熱器原設計為U形管式換熱器臥式安裝，封頭用隔板隔成三室，貧液冷卻過程經過三室四程，相當于要經過兩道U型彎道，由于存在U形且溫差較大，彎管處易堵難清。針對以上問題我們采取了以下措施：(1)除與控制液泛相同，加大了對除油器的操作外，加強了對前端電捕焦油器的操作，盡量減少進入吸收系統的焦油量。(2)將焦油槽出口管抬高，防止過多的焦油渣被抽入分離器進入解吸塔。(3)對解吸塔實行定期排渣制度，防止過多的硬質焦油渣形成。(4)出塔貧液管增加過濾系統，加強對焦油渣的清除。(5)控制溶液流量，對于系統減產，溶液流量最低不能低于正常流量的40%。(6)換熱器重新進行選型。將換熱器內列管改為直管，并做立式安裝，富液路內設折流板，貧液側封頭仍用隔板隔成三室，換熱效果好，取消了U型彎道，大大減小了堵塞的幾率，降低了清洗成本(換熱器結構對比見圖2)。通過采取以上措施后系統堵塞頻率明顯降低。

結束語

1.柳鋼焦爐煤氣磷酸脫氨工藝經過一系列的完善與優化后，運行穩定，出現的問題得到了有效解決，對燒結煙氣脫硫具有重要的促進作用。

2.焦爐煤氣磷酸脫氨生產氨水工藝比飽和器硫酸銨工藝更節能環保，特別是與燒結煙氣脫硫為配套工程，在燒結廠用水需求足夠的情況下，本廠的飽和器硫酸銨工藝已可以完全淘汰。

[1]何建平；李輝，《煉焦化學產品回收技術》，冶金工業出版社，2006年4月第一版，P133.

[2]彭光文，《焦爐煤氣磷酸脫氨工藝的完善與優化》，2012.11，P2.